植物的性
植物的性Takeko
原理 2023-01-20 04:33
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我们鲜少讨论到一个话题，那就是植物的“性”，或者可以说，是植物遗传物质的交换。
当植物繁殖时，花粉粒中的精子与花粉所落在的花朵中的卵细胞会融合。通过这种方式，父母双方细胞核的遗传物质便在种子中结合。这相当重要，因为它可以清除有害突变，否则这些突变就可能在遗传物质中世代积累。
但在植物体内，也有例外。除了细胞核中，一些细胞器的内部同样藏着遗传物质。
线粒体是细胞的“动力引擎”。动植物细胞利用它们来燃烧碳水化合物，并释放的能量进行新陈代谢。植物还有独特的叶绿体。这些细胞器含有绿色的叶绿素，是植物细胞的“太阳能发电厂”。叶绿体让植物能够通过光合作用的过程中收集太阳能，生产出碳水化合物，实现自给自足。
线粒体和叶绿体都有自己的遗传物质，通常认为，这是因为它们源于10多亿年前被现代动植物细胞的祖先所吸收的细菌。线粒体和叶绿体在细胞内建立了一个共生社区，以前的“室友”现在已经成了植物生存不可或缺的帮手。
众所周知，线粒体和叶绿体的基因组与细胞核中的遗传物质不同，这些遗传物质不是从双亲那里平等地继承的。通常认为，它们几乎完全由母本传递，因为它们要么根本不会进入精子，要么这些遗传物质会在花粉中被降解。
但近日，科学家分析了近400万株烟草植物的叶绿体在不同环境条件下的遗传情况。与普遍认为叶绿体只由母本植物传递的观点相反，父本的叶绿体在低温条件下也能传给后代，这就引发了双亲叶绿体相互交换遗传物质的可能性。
这些新发现将有助于在植物育种中有针对性地利用叶绿体编码的性状，它们还为进化研究开辟了新的前景。研究已发表在《自然·植物》上。
评估叶绿体遗传
研究人员首先创造了具有一种耐抗生素的叶绿体父本植物。然后，在花粉成熟期间，将这些植物暴露在各种环境条件下，包括高温、低温、干旱和强光。
这些植物的花粉被用来给一些未经改造的母本植物授粉。然后让这些杂交产生的种子在含有适量抗生素的培养基上生长。
只有父系遗传的叶绿体能在这种培养基上存活，含有来自父本叶绿体的细胞会呈现普通的绿色；而只有母系遗传的叶绿体的植物则是苍白的，因为这些叶绿体对抗生素很敏感，植物就会被“漂白”。
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由于父系遗传的叶绿体极为罕见，科学家不得不观察近400万株幼苗，寻找那么一点点绿色。虽然这个过程相当艰难，但他们最终发现，在低温处理的条件下，父系遗传的叶绿体的比例，比正常温度下高出了150倍。
在这一初步成功之后，研究人员继续深入探索了更多细节。
他们已经知道，寒冷通常会降低酶的活性。团队因此怀疑，一种酶可能参与了阻断叶绿体的父系遗传。科学家选择性地创造了带有一种有缺陷的酶的植物，这种酶通常会在花粉成熟期间降解叶绿体的遗传物质。
带有这种缺陷酶的植物同样显示出了叶绿体父系遗传明显上升。酶的缺陷以及花粉发育期间寒冷的环境，导致了2-3%的父系遗传率。听起来这似乎并不算多，但在正常环境下，发生这种情况的几率只有十万分之一，因此，这种提升实际上相当明显。
交换遗传物质
线粒体和叶绿体在很大程度上是母系遗传的原因，目前仍不清楚。但研究告诉我们，这类遗传可以对环境条件作出灵活的反应，这可能会使进化生物学家重新思考他们目前的一些理论和模型。这也提示了科学家，在遗传研究中，考虑环境条件是多么重要。此外，由于以前人们认为线粒体和叶绿体总是一起遗传，而且只从母本那里遗传，所以没有办法将它们的遗传物质所编码的性状分别传递。
而现在已经发现，叶绿体的遗传可以由温度和植物中个别酶的变化来控制。这样一来，通过简单地将植物置于寒冷环境中，叶绿体也有了从父本那里传递的可能性。这就为全新的育种计划打开了大门。
#创作团队：
撰文：Takeko排版：雯雯
#参考来源：
https://phys.org/news/2023-01-billion-years-abstinence-chloroplasts-sex.html#图片来源：
封面图：Flickr首图：Kelvinsong, Wikimedia Commons, CC BY
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